臨夏地震臺觀測到的臨震預滑和震顫震相

許健生, 李 麗, 姜振海

(1. 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081; 2. 甘肅省地震局, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

大震前在震中區及周邊地塊的斷層面上發生的臨震預滑和震顫現象是大多數地震前兆的物理基礎,是地震學界一直關注的一種地震前兆信號。據歷史地震資料記載:1556年1月23日陜西華縣8級地震前7～8小時,在未來震中區“覺地旋運,因而頭暈,……。”郭增建先生認為這是發生了緩慢的地面運動,是孕震斷層上發生的預滑現象[1-2]。近代地震觀測也表明:在大地震前,也常有震顫現象發生,這種震顫往往還伴有“地聲”現象。如1976年7月28日唐山7.8級地震前半小時到幾分鐘內,在距震中100 km范圍內,有人聽到了連綿不斷的“隆隆”聲,這種“隆隆”聲可能是一種振動頻率在聲頻范圍內的高頻顫動激發出的聲波。但由于地下介質對頻率較高的震顫吸收很快,其傳播的距離不是太遠,因而能聽到這種地聲的范圍不大[3]。因此,在過去臺站密度有限的中國地震觀測臺網中,在大地震前記錄到震顫和“地聲”的報道并不多。

根據全球數字地震儀臺網(GSN)的測定結果,2008年5月12日06時27分59.0秒(GMT),在中國汶川(31.06°N,103.37°E,h=7.6 km)發生了MW7.9地震,地震造成了巨大的人員傷亡和財產損失。地震發生前的4月18日和5月6日,在距震中500 km的甘肅省臨夏地震臺(以下簡稱臨夏臺),YRY-4分量應變儀和水位儀均記錄到了2次較大幅度的“階躍形”震相Xp(圖1),推測可能是臨震前臨夏臺所處地塊發生預滑時激發出的預滑震相。在發生預滑前后,水位儀和地震儀記錄到了N次間歇性的震顫波列 Tp(圖2),推測可能是臨震前地塊在構造應力的作用下,地下氣體在巖石裂隙內流動而激發出的震顫震相。

圖1 臨夏臺Xp震相記錄(Δ=500 km)Fig.1 The recordings of Xp phase at Linxia station (Δ=500 km)

1 儀器和數據情況

1.1 應變儀

臨夏臺的YRY-4型分量鉆孔應變儀傳感器安裝在井下44.7 m,儀器通頻帶寬0～20 Hz,分辨率為10-11,應變觀測量綱為10-10,非線性度≤1%,采樣率為每分鐘1次。

1.2 水位儀

臨夏臺的鉆孔水位儀的傳感器與YRY-4型分量鉆孔應變儀的傳感器安裝在同一鉆孔內,記錄的是井深45 m的承壓層水位數據,水位儀的分辨率為0.03 mm,采樣率為每分鐘1次。其水位變化如同YRY-4型分量鉆孔應變儀的變化一樣能顯示固體潮變化形態[4]。

臨夏臺的靜水位觀測井孔深度為200 m,觀測儀器是LN-3A型數字水位儀,傳感器放置在井下8.5 m處,采樣率為每分鐘1次,水位量程為0～10 m;分辨率為1 mm;測量準確度為±0.2% F.S;測量重復性為±0.1% F.S;測量穩定性為±0.2% F.S/年;動態響應速度為>1 m/s;使用溫度為0～40 ℃。靜水位儀和鉆孔水位儀不在同一井孔內,相距約10 m。

1.3 地震儀

臨夏臺的地震儀是寬頻帶、高靈敏度和大動態范圍的數字化地震儀,地震計型號是BBVS-60,數采型號是EDAS-24IP,采樣率為100次/s。

本研究所用的數字地震儀波形是沒作濾波和仿真處理的原始記錄波形。

2 Xp和Tp震相的記錄特征

2.1 Xp震相記錄特征

在YRY-4型分量鉆孔應變儀和鉆孔水位儀的數字波形記錄上,Xp震相有以下特征:

(1) 由圖1可見,Xp震相是震前出現的長周期震相,波形近似“階躍形”。

(2) 鉆孔應變儀記錄的Xp震相和鉆孔水位儀記錄的Xp震相對比可見,鉆孔水位儀記錄的Xp震相要比應變儀記錄的Xp震相遲到約2～5個小時。

(3) 同臺的鉆孔水位儀和靜水位記錄的Xp震相到時也不相同,靜水位記錄的Xp震相到時要比鉆孔水位儀記錄的震相遲到約8個多小時。

2.2 Tp震相的記錄特征

在鉆孔應水位儀和地震儀的數字波形記錄上,Tp震相有以下特征:

(1) 由圖2可見,Tp震相是間歇性地“成叢”出現,多數Tp震相往往首尾相連,不易分辨初動。在個別Tp震相波列中有時可以細分出若干單一的Tp波列。每一個Tp波列由多個振動周期構成。在水位儀記錄上,Tp震相最大振幅周期約為4分鐘,單一振動波列的持續時間約10多分鐘。在地震儀的LH通道記錄上,Tp震相最大振幅周期范圍為0.3～8 s,單一振動波列的持續時間約0.5～10 min不等。

(2) 由圖2和圖3可見,Tp震相表現為一種弱起始,逐漸變強的波動,達到峰值后又逐漸衰減,整個波列呈“紡錘形”。在地震儀三分向記錄上分辨不出是縱波性質的振動還是橫波性質的振動,波形不同于巖石彈性破裂后的振動波形,沒有典型的縱波和橫波震相,整個波列形態類似于地震波中的導波震相Lg。

圖3 震顫震相形成機制示意圖Fig.3 Schematic diagram of the formation mechanism of tremor phase

3 Xp和Tp震相的物理機制

已有理論與實驗[2,5-8]表明,大地震前在孕震地塊間的斷層面上常有一種緩慢運動,激發出長周期波動。這種長周期波動可能是巖石破裂前的緩慢蠕裂、斷層預滑或斷裂預擴展激發出的,其周期一般為幾十秒至幾小時[2,5-6]。

SONG[9]用不同性質的巖石做脆性破裂實驗的結果表明:巖石塊體受壓后在主破裂前會有多次小破裂伴隨著“階躍”式應力降發生。

大量觀測結果也表明在大震發生前,震源區及其附近確實存在“緩慢移動”。如1976年唐山7.8級大地震前和2001年昆侖山口西8.1級等大地震前,在其發震斷層上都觀測到了斷層位移、井口變形等現象[10]。這種“緩慢移動”可以產生頻帶很寬的振動,并以波的形式向外發射,有高頻波(聲頻)以地聲的形式發射[2],也有低頻波,如帕薩迪那地震臺應變儀記錄到的周期為300～600 s的長周期波[11]。

由臨夏臺的記錄可見;Xp震相波形的“階躍形”特征明顯,與SONG[9]做的巖石脆性破裂實驗中小破裂發生時所伴隨的“階躍形”應力降形態特征一致。由此推測;Xp震相可能是臨震前地塊巖石主破裂前裂隙蠕裂、斷裂預滑或斷裂預擴展等行為激發出的預滑震相。

關于震顫的物理機制在國內外文獻中都鮮有報道,僅有的一些觀測結果表明,在一些板塊構造的邊緣,如北美的卡斯卡迪亞島的俯沖構造帶上,在觀測到慢滑動事件時,觀測到的顫動(Tremor)次數會明顯增多。并據此推測,可能是板塊間的慢滑動摩擦激發出了震顫[12]。

本文根據臨夏臺2種不同學科的觀測儀器記錄到的Tp震相波形與地震波中的導波Lg波形相似和在地震儀記錄的三個分向都分辨不出是縱波性質的振動還是橫波性質的振動的記錄特征推測,Tp震相的生成機理可能與Lg波的生成機理類似,是一種波動能量被“拘留”在某個波導“通道”內的導波[13]。生成Tp 波的“通道”可能是因臨震前構造應力相對集中導致地塊內新舊裂隙貫通而形成的。設想當構造應力相對集中地擠壓某個地塊,致使地塊內新舊裂隙貫通而形成“通道”的同時,也會使地塊內流體受壓后析出氣體,氣體在不同寬度的裂隙“通道”內流動或溢出時,勢必會激發出不同頻率的震顫。這種震顫的頻率可能與氣體流動的裂隙寬度有關,即氣體或液體在不同寬度的裂隙內流動可能會形成不同頻率的震顫 (圖3)。較高頻的震顫有可能被寬頻帶地震儀記錄到,較低頻的震顫有可能被水位儀記錄到。這種震顫傳播到地表面,在聲頻范圍內的震顫可以被人聽到,稱之為“地聲”。從目前為數不多的地聲波形記錄可見[3,14],其記錄波形與本文給出的Tp震相波形相似,也與導波Lg波形非常相似。

4 觀測結果和可靠性討論

在對臨夏臺的觀測結果討論之前,首先對上述的“預滑”和“震顫”信號的可靠性進行討論,即上述的“預滑”和“震顫”信號是否是儀器自身問題或外界氣象因素造成的干擾？

對此問題,我們根據同一臺站,在相近時間段,3種不同觀測手段,在不同井孔都觀測到了這種“預滑”和“震顫”信號的情況認為:這種同一臺站,在相近時間段,在不同井孔,3種不同學科的觀測儀器,同時出現儀器問題的可能性應該較小。另外,是否是外界氣象因素干擾？對此問題我們認為:如果是外界氣象因素干擾,如氣壓和降水的干擾,應該在3種不同學科的觀測儀器上“同時”記錄到。而臨夏臺觀測到的“預滑”和“震顫”信號是在相近時間段內,但并不是“同時”記錄到,因此,不應是外界氣象因素所致。另由圖1給出的相同時間段內的鉆孔氣壓、地面氣壓和降水量記錄可見,在出現“預滑”和“震顫”信號的時段,鉆孔氣壓、地面氣壓和降水量變化都比較小。當氣壓和降水變化比較大時并沒有記錄到相應的Xp震相和Tp震相,它們之間沒有相關性。那“震顫”是否是由2008年5月8日到5月14日發生在西太平洋上的 “威馬遜”臺風激發的呢？顯然不是,因為這些“預滑”和“震顫”現象發生在“威馬遜”臺風生成之前。因此,上述的“預滑”和“震顫”信號是儀器自身問題或其他外界氣象因素干擾的可能性都較小,而由震前預滑和震顫形成的可能性較大。

對于在同一臺站,不同學科的觀測儀器記錄到的Xp震相、Tp震相的到時不同,我們認為:用實驗室內小尺度花崗巖樣品做的黏滑實驗結果[7,15]可以解釋這個問題。實驗結果表明:①同一樣品,同一觀測手段,加壓后,在樣本的不同部位對應變變化的響應時間會不同;②同一樣品,不同觀測手段,即使采樣率一致,對應變變化的響應時間也不同。

依據上述實驗結果,我們認為:臨夏臺不同學科的觀測儀器記錄到的Xp震相和Tp震相的時間不同與不同觀測手段響應的物理過程不同有關;與不同的物理過程發生在臺站下方的不同深度或不同部位有關。如YRY-4分量應變儀觀測的是應變傳感器周邊的應變波動過程,水位儀觀測的是承壓層水位的壓力傳遞過程,地震儀觀測的是地表以下不同深度裂隙“通道”內的氣體流動或溢出時激發的“震顫”過程。 因此,在同一構造力場的作用下,這2個物理過程雖發生在同一臺站下方和附近,但可能發生在不同深度和不同部位,這樣在同一臺站,不同學科的觀測儀器,對不同的物理過程的響應時間應該是不同的。這與地震發生后,在不同的觀測手段上能同時觀測到地震波到時不同。地震發生后,同一臺站不同儀器觀測到的是發生在相同深度、相同距離的同一物理過程,是一種“同場同源”的物理過程。而臨夏臺不同學科的觀測儀器記錄到的預滑和震顫時間不同是因不同學科的觀測儀器記錄到的信號是“同場”,但不“同源”。是同一構造應力場的作用下,在同一臺站下方或附近不同深度、不同部位和不同物理過程作用的結果。

那這些預滑和震顫現象與5月12日汶川MW7.9地震有什么關系呢？圖4盡可能長的給出了震前一段時間內的觀測記錄,發現在2008年3月份以前,3種觀測記錄曲線都比較平直。3月份以后,鉆孔水位儀和靜水位儀開始陸續記錄到一些幅度較小的預滑錯動。4月18日和5月6日,3種觀測儀器同時記錄到了2次幅度較大,發生時間也較集中的預滑錯動和N次震顫。這種發生在震中周邊地塊上幅度較大,時間較集中的預滑錯動除了會使地塊內應力-應變發生“階躍形”變化外,還會在地塊間某些滑動受阻的斷層面上集聚構造力。當集聚的構造力大到可以克服受阻斷層面上的摩擦力或巖石的破壞強度時,則會導致斷層錯動和巖石破裂,形成構造地震。據此推測:4月18日和5月6日的2次幅度較大,發生時間較集中的預滑錯動可能導致區域構造力在龍門山斷裂帶被積累。當區域構造力積累到可以克服龍門山斷層帶上的摩擦力或巖石破裂強度時,斷層巖石發生突然破裂和失穩滑動,引發了汶川MW7.9大地震。

圖4 Xp震相記錄(Δ=500 km)Fig.4 The recordings of Xp phase (Δ=500 km)

5 幾點認識

根據上述理論研究、實驗和觀測結果,有以下幾點認識:

(1) 臨夏臺記錄到的Xp震相可能是臺站所處地塊在震前發生預滑錯動后激發出的預滑震相。

(2) 臨夏臺記錄到的Tp震相可能是臺站所處地塊在構造應力作用下,巖體內的新舊裂隙貫通,形成了地下氣體流動的“通道”,當氣體在裂隙“通道”內流動時,激發出的震顫震相。

(3) Xp震相的觀測結果表明:臨震前24多天,2次幅度較大,發生時間較集中的預滑錯動,可能引發了汶川MW7.9地震。

(4) Tp震相的觀測結果表明:在發生預滑錯動時常伴有震顫現象發生。

(5) Xp和Tp震相是臨震前構造力在震中周邊地塊斷層上集聚過程的直接觀測證據,是值得關注的前兆信息。研究Xp和Tp震相有助于認識臨震前震中周邊地塊的預滑活動和構造力集聚過程。

本文用的數據轉換和震相標注均由黑龍江省地震局和躍時高級工程師提供的《CDSN地震臺站分析軟件》完成,在此深表謝意。